無線通信技術在化工生產(chǎn)過程中的應用研究報告

無線通信技術在化工生產(chǎn)過程中的應用研究

翟維強波摘

要：化工生產(chǎn)過程中工業(yè)自動化控制已廣泛應用，無線通信技術的快速發(fā)展可實現(xiàn)儀表之間數(shù)據(jù)信號的無線傳輸。將無線傳輸模塊應用到化工生產(chǎn)的分布式控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)化工無線分布式控制系統(tǒng)的設計，并應用于甘氨酸生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中，結果顯示：實時數(shù)據(jù)庫包括圖形顯示、數(shù)據(jù)報表、歷史報表和歷史數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，與通訊管理模塊互聯(lián);通過無線分布式控制系統(tǒng)運用管理層協(xié)議實現(xiàn)所有連接設備之間的通信自由，化工無線分布式控制系統(tǒng)的運行和生產(chǎn)過程控制不受系統(tǒng)器件故障的影響。對精餾塔控制設備工藝流程中的部分開關量控制進行了模擬測試，達到了預期效果。Key：化工生產(chǎn);自動化控制;無線通信技術;分布式控制系統(tǒng)：TN923

文獻標識碼：AApplicationofWirelessCommunicationTechnologyinChemicalProductionProcessZHAIWei？覮，QiangBo（CollegeofElectronicEngineering，Xi'anAeronauticalUniversity，Xi'an，Shaanxi710077，China）Abstract：Industrialautomationcontrolhasbeenwidelyusedinthechemicalproductionprocess.Therapiddevelopmentofwirelesscommunicationtechnologycanrealizethewirelesstransmissionofdatasignalsbetweeninstruments.Inthispaper，thewirelesstransmissionmodulewasappliedtothedistributedcontrolsystem（DCS）ofchemicalproductiontorealizethedesignofchemicalwirelessdistributedcontrolsystemandalsoappliedtotheglycineproductionprocesscontrolsystem.Besides，someswitchcontrolintheprocessflowofthedistillationtowercontrolequipmentwassimulatedandtestedtoachievetheexpectedresults.Theresultshowsthatthereal-timedatabaseincludesgraphicdisplay，datareport，historicalreport，andhistoricaldatabasedata，whichareinterconnectedwiththecommunicationmanagementmodule;throughthewirelessDCS，themanagementprotocolisusedtorealizethefreedomofcommunicationbetweenallconnecteddevices，andtheoperationandproductionprocesscontrolofthechemicalwirelessDCSisnotaffectedbythesystemdevicefailure.Keywords：chemicalproduction;automaticcontrol;wirelesscommunicationtechnology;distributedcontrolsystem無線通信技術在化工生產(chǎn)過程中可實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程的自動控制，包括無線局域網(wǎng)技術、藍牙技術、ZigBee技術和微功率短距離無線通信技術等[1]。化工生產(chǎn)過程中，無線通信技術的應用不僅實現(xiàn)控制裝置的數(shù)據(jù)上傳和下載、實時數(shù)據(jù)監(jiān)測，還需建立實時數(shù)據(jù)庫的生成信息管理系統(tǒng)，進而構成一個完整的化工系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡體系[2]。微電子技術和無線電通信技術的告訴發(fā)展共同推進了無線通信技術在工業(yè)生產(chǎn)過程的推廣[3]。在化工生產(chǎn)過程中，分布式控制系統(tǒng)可實現(xiàn)現(xiàn)代化的智能計算機自動控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)多臺計算機同時控制，提升信息的處理能力，并且方便監(jiān)管控制[4]。當前的化工生產(chǎn)過程對分布式控制系統(tǒng)的要求越來越苛刻，化工生產(chǎn)現(xiàn)場也需要分布式控制系統(tǒng)可適應各種非常規(guī)環(huán)境[5]。傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)通過有線傳輸完成數(shù)據(jù)采集，不僅鋪設困難、成本較高，后期維護造成大量的人力和財力浪費[6]。本文將無線傳輸模塊應用到化工生產(chǎn)的分布式控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)化工無線分布式控制系統(tǒng)的設計與應用，增加系統(tǒng)實現(xiàn)的靈活性。1

化工無線分布式控制通信協(xié)議和接口1.1

通信協(xié)議研究通信協(xié)議是通信雙方對數(shù)據(jù)傳輸格式、傳送的速度和步驟達成的一種協(xié)議[7]。當前，控制層協(xié)議中應用最多的是MODBUSRTU通信協(xié)議，該協(xié)議應用門檻較低，硬件成本性價比高[8]。ModBus作為工業(yè)設備之間通信標準協(xié)議在儀器儀表上應用更加普遍，在ISO/OSI模型中應用層表示ModBus協(xié)議，數(shù)據(jù)鏈路層表示ModBus串行鏈路協(xié)議，表示層、會話層、傳輸層和網(wǎng)絡層均為空。ModBus串行鏈路協(xié)議遵循主機查詢和從機響應原則，ModBus的功能代碼有公共功能代碼、用戶自定義功能代碼和保留的功能代碼三種類型。管理層協(xié)議創(chuàng)建了應用程序與實際控制過程的紐帶，使所有的連接設備之間實現(xiàn)通信自由，形成一個整體[9]。1.2

通信協(xié)議物理接口通信協(xié)議的物理接口包括串行口通信、以太網(wǎng)通信和無線通信。串口通信是按位進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，應用廣泛，波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗是衡量串口通信最重要的參數(shù)。以太網(wǎng)是局域網(wǎng)應用中常用的通信協(xié)議標準，連接ISO/OSI的物理層，高層協(xié)議可以是TCP/IP協(xié)議。以太網(wǎng)協(xié)議采用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問技術，通過監(jiān)聽網(wǎng)絡上是否有信號傳輸進行數(shù)據(jù)傳輸，在傳輸過程中將持續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡，若出現(xiàn)沖突將釋放網(wǎng)絡[10]。無線通信是借助無線電波作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿襟w，所需的系統(tǒng)功率較小、通信距離最大、通信頻率最小，且模塊成本最低。無線通信技術擺脫了傳統(tǒng)通信技術的不足，可大大提高化工工業(yè)的生產(chǎn)效率。2

化工無線分布式控制系統(tǒng)設計2.1

化工無線分布式控制系統(tǒng)軟硬件設計無線主控模塊是無線分布式控制系統(tǒng)的主模塊，通常采用DP83848物理層芯片，在物理層接口具有帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問功能，更好地適應工業(yè)控制和工廠自動化。系統(tǒng)的硬件設計要確保實現(xiàn)主控卡的正常運行，軟件的設計實現(xiàn)主控卡上數(shù)據(jù)交換。圖1為以太網(wǎng)的軟件初始化流程，介質訪問控制模塊上位和引腳配置，復位所有內部模塊，將介質訪問控制模塊的控制寄存器初始化，若復位完成，則配置全/半雙工模式、100/10Mbps模式和介質訪問控制地址寄存器。在整個組網(wǎng)的配置過程中要注重信道配置、接口方式和校驗方式的選擇。圖1

以太網(wǎng)軟件初始化流程2.2

化工無線分布式控制系統(tǒng)軟件應用uC/OS-Ⅱ是一個完整的嵌入式操作系統(tǒng)，可實現(xiàn)軟件應用中的任務調度、控制和協(xié)調并發(fā)。uC/OS-Ⅱ的文件結構分為軟件和硬件兩個模塊，大致分為核心部分、任務處理、時間處理、任務同步與通信等四部分，是以源代碼形式提供的實時操作系統(tǒng)內核，調度方式包括任務級和中斷級任務調度兩種。在uC/OS-Ⅱ的任務狀態(tài)中包括等待狀態(tài)任務、睡眠態(tài)任務、就緒態(tài)任務、運行態(tài)任務和中斷服務態(tài)任務五種。3

化工無線分布式控制系統(tǒng)應用研究3.1

化工無線分布式控制系統(tǒng)安全性能分析化工生產(chǎn)過程中，化工無線分布式控制系統(tǒng)的應用已逐漸取代獨立的控制系統(tǒng)和儀器儀表，且無線分布式控制系統(tǒng)主要應用于復雜程度和自動化程度高的化工設備中?；o線分布式控制系統(tǒng)要保證系統(tǒng)無故障運行時間越長越好，且系統(tǒng)的運行和生產(chǎn)過程控制不受系統(tǒng)器件故障的影響。圖2為典型的分布式控制系統(tǒng)體系結構，操作員站、工程師站、服務器站和現(xiàn)場控制站與現(xiàn)場的變送器、執(zhí)行器和傳感器連接，可更快地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。圖3為實時數(shù)據(jù)庫事務調度，實時數(shù)據(jù)庫包括圖形顯示、數(shù)據(jù)報表、歷史報表和歷史數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，與通訊管理模塊互聯(lián)。電子元器件的安全可靠度直接影響分布式控制系統(tǒng)整體的安全性，通過對電子元器件的失效率分析可評價整個系統(tǒng)的安全性能。失效率計算公式如式1所示：λ=■

（1）式中r為系統(tǒng)失效數(shù)，T為系統(tǒng)數(shù)與運行時間的乘積。經(jīng)過大量理論和實踐分析，可以發(fā)現(xiàn)失效率與時間呈“浴盆”狀曲線，如圖4所示，其曲線分為初始失效期、隨機失效期和損耗失效期。圖2

典型的分布式控制系統(tǒng)體系結構圖3

實時數(shù)據(jù)庫事務調度Time圖4

“浴盆”狀曲線3.2

化工無線分布式控制系統(tǒng)應用測試化工無線分布式控制系統(tǒng)主要應用在無線通訊模塊的調試，為了更貼合真實的化工生產(chǎn)，將調試過程選在多電磁干擾且復雜多變的環(huán)境狀態(tài)。圖5為無線模塊通訊測試圖，主模塊分為串口配置、線路控制、線路狀態(tài)和輔助功能窗口，包含接收區(qū)和發(fā)送區(qū)兩個窗口，無線主控卡模塊位于主機的位置，通過上位機連接主控卡模塊與串口助手一起發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。圖6為主控模塊的現(xiàn)場電氣連接圖，實驗設計通過連接化工無線分布式控制系統(tǒng)的串口助手實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)控作用。實驗室調試完畢后安裝在甘氨酸生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中進行化工現(xiàn)場模擬測試，主要針對精餾塔控制設備工藝流程中的部分開關量控制進行了模擬測試，達到了預期效果。圖5

無線模塊通訊測試圖圖6

主控模塊的現(xiàn)場電氣連接圖4

結論將無線傳輸模塊應用到化工生產(chǎn)的分布式控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)化工無線分布式控制系統(tǒng)的設計與應用，結論如下：（1）無線通信技術擺脫了傳統(tǒng)通信技術的不足，可大大提高化工工業(yè)的生產(chǎn)效率，無線通信所需的系統(tǒng)功率較小、通信距離最大、通信頻率最小，且模塊成本最低。（2）化工無線分布式控制系統(tǒng)要保證系統(tǒng)無故障運行時間越長越好，且系統(tǒng)的運行和生產(chǎn)過程控制不受系統(tǒng)器件故障的影響。（3）化工無線分布式控制系統(tǒng)要保證系統(tǒng)無故障運行時間越長越好，且系統(tǒng)的運行和生產(chǎn)過程控制不受系統(tǒng)器件故障的影響，將化工無線分布式控制系統(tǒng)應用于甘氨酸生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中，可實現(xiàn)全過程控制，達到預期目標。Reference[1]

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